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《哈尔滨工程大学》 2012年
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喷水推进水面无人艇的非线性控制方法研究

曾薄文  
【摘要】:喷水推进水面无人艇作为新型作战平台,可搭载传感器、通讯装置和作战载荷,具有隐身性好、操纵灵活、自动驾驶等特点,适合在各种恶劣环境下,执行快速信息侦查、潜伏和作战等任务。喷水推进水面无人艇系统的建立,将在可能的未来海战中为大部队扫清海上障碍、建立快速海上通道等方面发挥积极作用。 本论文以某科研项目和国家自然科学基金(No:50909026)为背景,结合喷水推进无人艇执行任务中的离港、接近任务区域以及跟踪目标等实际工作的需要,具体研究喷水推进无人艇的航向控制、动态定位以及轨迹跟踪控制等几方面问题。 利用MMG分离原理建立了喷水推进无人艇的操纵运动方程,并对喷水推进无人艇的流体水动力特性进行分析,给出水动力特性的计算公式。建立无人艇系统中alamarin_jet230型喷水推进器的数学模型,并与实验数据对比验证了建立的喷水推进器模型的合理性。最终获得喷水推进无人艇的水面三自由度运动的动力学模型。 研究了喷水推进无人艇的航向控制问题。航向控制系统模型存在未知上界扰动,其中包括无人艇喷口转动过程中的喷水速度和纵向速度的损失,以及在执行任务过程中海况的变化。为此,提出了基于模糊自调整的鲁棒自适应滑模航向控制方法。在扰动上界未知的情况下,该方法可以利用模糊规则,调整鲁棒自适应控制律的参数,实现无人艇航向控制。进一步,该方法可等效为一类单输入的模糊自调整的PID调节器,更易于工程实现。 针对欠驱动喷水推进无人艇的动态定位控制问题,通过对系统进行全局微分同胚变换和反馈变换,在给定的假设条件下对变换后的两个子系统,设计稳定分段反馈控制律,从而以一种不连续的控制方法实现系统的状态在有限时间内镇定到原点。为克服不连续反馈控制律中普遍存在需要持续角速度激励问题,提出一种新的周期时变状态变换,设计欠驱动喷水推进艇的全局时变渐近镇定控制律。所提出的方法可解决时变欠驱动船舶镇定控制中全局Lyapunov函数构造困难的问题。 针对欠驱动喷水推进无人艇的轨迹跟踪问题,通过全局微分同胚和反馈变换,采用反步法和Lyapunov直接方法构造欠驱动水面船舶的曲线航迹跟踪控制律。进一步对常值干扰情况下轨迹跟踪问题进行研究,提出基于扰动补偿的航迹自适应鲁棒跟踪控制方法,并给出了全局渐近稳定的理论证明,解决了欠驱动无人艇存在常值干扰情况下的轨迹跟踪控制问题。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U674.70

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